金林隧道洞口浅埋段下穿村落施工工法选择与应用

张 建

(保利长大工程有限公司， 广州 511431)

随着我国经济的高速发展，交通设施建设不断向偏远山区延伸。由于受地形限制，隧道选线难免出现下穿村落建筑物的情况，而浅埋隧道施工对上地表建筑物及居民生活也有影响[1]。

不同的隧道施工方法引起地表沉降的差异较大，选择合理的施工工法对控制变形尤为重要。本文结合金林隧道洞口浅埋段下穿村落民房，采用数值建模对不同施工方法下的地表建筑物及洞内变形进行对比分析[2]，以选择适合的隧道施工方法，确保地表建筑物的安全[3]。在隧道施工过程中，通过现场监控量测，动态监测地表建筑物地基及隧道洞内测点位移变化，并将二者结果进行对比分析[4]，相互验证，以供同类隧道施工参考。

1 工程概况

该项目起于云浮罗定市围底镇，与罗阳高速连接，止于茂名高州荷花镇，路线中途与包茂高速交叉，终点与广西浦北至北流(清湾)公路对接，如图1所示。

图1 云茂高速公路平面布置

金林隧道位于信宜市钱排镇，穿越构造侵蚀中低山地貌，为分离式双向4车道特长隧道。左线隧道长3 448 m，坡度-1.7%；右线隧道长3 466 m，坡度-1.7%；进口云浮端采用削竹式洞门，出口茂名端采用端墙式洞门，隧道最大埋深约333 m。

1.1 民用建筑物与隧道位置关系

金林隧道出口茂名端位于信宜市白石镇，其主洞下穿白石镇石村。根据现场勘查，距右洞洞口45 m～65 m处有3栋民房，此段隧道埋深为20 m～30 m，当地村道从洞顶通过，隧道施工对其影响较大，其位置关系如图2所示。

图2 民房与金林隧道位置关系

1.2 地质概况

金林隧道茂名端洞口段地层岩性主要为第四系坡残积粉质粘土，加里东期全-微风化花岗岩。坡残积土层、全-强风化岩岩质极软，遇水易软化崩解，岩体破碎-较破碎，地下水位较高，易沿裂隙面出现渗流、流水、涌水。隧道洞口浅埋段洞顶分布较多民房，隧道开挖时对其影响较大。隧道下穿村落施工区段自上而下主要为粉质粘土、残坡积粉质粘土、碎石，全风化花岗岩，强风化花岗岩，少量中风化花岗岩，如图3所示。金林隧道茂名端隧址区位于低缓丘陵区，地表水不发育，地下水类型为第四系松散层孔隙水，分别赋存于坡残积层、基岩岩层中，地下水主要受大气降水补给，以蒸发、侧向径流为主要排泄方式。总体而言，地下水较贫乏。

1.3 隧道施工对地表建筑物的影响

在综合考虑工期及经济情况下，隧道采用下穿既有房屋的施工技术进行隧道掘进[5]，不拆迁。

地表建筑物安全性评价主要根据建筑物在隧道施工过程中产生的沉降、倾斜和水平变形3个方面考虑[6]。

隧道施工中下穿的村落建筑物为中低层建筑，大部分为砖砌结构，建筑物设计级别不高，部分建筑物因建造质量问题已经出现不同程度的裂缝。根据金林隧道工程特点，将施工对该砖混结构的住房影响级别定为Ⅰ级，即墙壁出现或仅出现少量宽度小于4 mm的细微裂缝，且裂缝数量不多于3条，不需要修补可继续使用[7]。因此，需要控制隧道下穿施工引起的建筑物的沉降，重点是差异沉降。为此，根据民房建筑物的结构及建筑材料的力学特征，建立其变形控制指标，如表1所示。

2 有限元模型计算

2.1 3种工法隧道施工数值模型

金林隧道按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二次衬砌为模筑混凝土[8]。右洞下穿房屋段位于桩号YK66+763～YK66+783。隧道结构断面设计如图4所示。隧道为分离式隧道，下穿段施工过程中先对右洞进行施工，由于下穿段距洞口距离为45 m～65 m，按照规范[8]要求，隧道左洞不能与右洞同时进洞施工，数值建模按真实施工情况进行，因此只进行了右洞施工下穿建筑物的模拟。

为分析不同隧道开挖方法在隧道施工过程中的影响[9-12]，采用Midas/GTS软件对CD法、环形开挖预留核心土法、台阶法分别建立数值计算模型，并进行施工阶段的有限元模拟计算。

根据弹性力学边界效应规定：模型计算边界取3～5倍的开挖宽度。本模型建模范围横向宽度取112 m，开挖纵向取25 m，竖向高度取57 m。岩土体计算采用莫尔-库伦弹塑性本构模型，初期支护、二次衬砌及小导管、锚杆、钢拱架采用各向同性-弹性本构模型，如图5所示。地表建筑物采用钢筋混凝土实体单元、初期支护采用2D板单元、钢拱架采用梁单元、锚杆采用植入式桁架单元、超前小导管采用植入式梁单元进行模拟。

单位：m

表1 地表房屋变形控制指标

单位：cm

单位：m

模型的边界条件:左右边界两侧施加了X方向和Y方向的水平约束，模拟两侧岩土体的约束；下边界施加Z方向的竖向约束，模拟下侧岩土体的约束；上边界为自由边界。网格划分时，分别对隧道的网格区域进行加密，隧道区域内网格密度取为0.6 m，隧道外围网格密度取为2.5 m。计算力学参数取自金林隧道地勘报告，如表2所示。

工况1：环形开挖预留核心土方法。开挖进尺为1.2 m，施工步序如下：1) 开挖上部环形土；2) 支护上部钢拱架，打锚杆、超前小导管，喷射混凝土；3) 开挖核心土；4) 开挖左下台阶、施作左下台阶的初期支护；5) 开挖右下台阶、施作右下台阶的初期支护。

表2 模型物理力学参数

工况2：台阶法。

工况3：CD法。

隧道实际施工中采用环形开挖预留核心土法，后2种工况通过数值模拟进行对比分析。3种工法隧道开挖模型如图6(a)～(c)所示。

隧道初期支护采用C25喷射混凝土厚26 cm+钢筋网片Φ6(20 cm×20 cm)+Φ25中注式锚杆长3.5 m(间距100 cm×60 cm)+I20a工字钢(纵向间距60 cm)；二次衬砌C25模筑混凝土厚50 cm，超前支护采用Φ42×4 mm小导管，长4 m，环向间距40 cm，纵向间距2.4 m。初期支护钢拱架、锚杆、小导管模型如图6(d)所示。

2.2 计算结果分析

1) 隧道洞内位移变化

以K66+775断面为例，分别采用环形开挖预留核心土法、台阶法、CD法进行数值模拟和对比分析。3种不同施工方法在隧道断面处完成开挖后的位移云图如图7所示，围岩变形量情况如表3所示，位移变化情况如图8所示。

(a) 环形开挖预留核心土法

(b) 台阶法

(c) CD法

(d) 钢拱架、锚杆、小导管模型

(a) 环形开挖预留核心土施工竖向位移云图

(b) 环形开挖预留核心土施工水平位移云图

(c) CD法施工竖向位移云图

(d) CD法施工水平位移云图

(e) 台阶法施工竖向位移云图

(f) 台阶法施工水平位移云图

表3 3种不同施工方法下围岩变形量 mm

从图7可见，隧道开挖方法不同直接影响对隧道周边围岩的收敛，其中台阶法施工竖向和水平位移影响范围最大，环形开挖预留核心土法次之，CD法最小。

从表3可知，台阶法的拱顶最终下沉位移最大，为16.18 mm，水平周边收敛位移为8.12 mm。环形开挖预留核心土法的拱顶下沉次之，为13.68 mm，水平周边收敛位移为4.88 mm。CD法的拱顶下沉位移最小，为9.57 mm，水平周边收敛位移最小，为4.56 mm。

从图7和表3可知，CD法施工开挖断面小且因中隔墙的分隔能有效控制拱顶和水平方向位移值，而台阶法施工一次开挖断面大，不利于隧道拱部的稳定，致使隧道周边围岩收敛值较大。环形开挖预留核心土法的拱顶和水平方向位移值介于两者之间。

(a) 施工中拱顶下沉变化

(b) 施工中周边收敛变化

从图8(a)可见，台阶法施工引起拱顶下沉先快速增加而后趋于平缓；环形开挖预留核心土法开始引起的拱顶下沉较小，待整个断面开挖完成后拱顶下沉出现小范围突增，而后缓慢增加，最后趋于平缓；CD法开始引起的拱顶下沉增加较缓，在右洞完全开挖时，拱顶下沉有部分突增，而后逐渐趋于平缓。3种工法施工全过程中，CD法引起的拱顶下沉最小。从图8(b)可知，3种施工方法下，左右边墙收敛位移变化随开挖步变化规律较为一致，都在前期施工时收敛速率较大，而后逐渐趋于平缓。台阶法施工引起的边墙收敛先快速增加，在隧道初期支护后二次衬砌施作前，出现增长速率较快，幅值变化较大，在二次衬砌施作后最终趋于平缓；CD法施工引起的边墙收敛先快速增加而后趋于平缓；环形开挖预留核心土法与CD法边墙收敛大小和规律基本一致，先快速增长，而后缓慢增加，最后趋于平缓。3种工法施工最终水平收敛值依旧是CD法的最小，环形开挖预留核心土法次之，台阶法最大。

2) 隧道施工对地表建筑物的影响分析

L1OCd的伪随机码序列长度是1 023，周期是2 ms。伪随机码是由两个10级线性反馈移位寄存器DC1、DC2模二和产生的，DC1和DC2时钟速率都为0.511 5 MHz，DC1从第 7、10个触发器反馈，DC2从第3、7、9个触发器反馈，寄存器移动的方向是从低位到高位。DC1的初始状态IS1是0011001000，DC2的初始状态IS2根据卫星编号的不同，范围从0000000000一直到0000111111。

3种不同施工方法引起隧道上方地表及建筑物地基处的竖向位移变化曲线如图9所示。从图9可见，在临近建筑物时，3种方法的地表沉降速率均较大，在建筑物正下方的地表沉降值最大，在离隧道中心线距离越远沉降值越小。由于建筑物位于隧道中心线上部及右侧位置，因此右侧地表沉降总体大于左侧，其中台阶法地表沉降位移最大，其值为13.68 mm；环形开挖预留核心土法开挖引起的地表沉降次之，最大值为11.32 mm；CD法开挖引起的地表沉降位移在这3种方法里最小，最大值沉降为8.38 mm。

图9 3种工法隧道开挖引起的地表沉降变化曲线

由此可见，在隧道拱顶上方右侧地表沉降值变化波动较大，控制隧道上方建筑物的不均匀沉降尤为重要，建议施工过程中加强对地表沉降的监测，必要时应采取相应的地基加固措施。

据上分析可知，CD法对围岩的扰动最小，可有效减小因隧道开挖引起的拱顶下沉、水平周边收敛和地表沉降现象，但CD法实际施工过程复杂繁琐，加之围岩上半部分为泥夹石，下半部分为中风化花岗岩[13]，下部分步施工需采用爆破，该工法且需多次分部爆破，这对开挖轮廓线以外围岩造成多次扰动，且多次爆破产生的冲击波和地震波对地表建筑物影响较大，不利于围岩的稳定，易造成房屋裂缝产生，甚至造成房屋不均匀沉降，导致房屋倾斜甚至倒塌，不利于建筑物结构安全。因此，CD法不适合本隧道。台阶法施工位移变形量较大，存在较大安全隐患，也不适合。而环形开挖预留核心土法施工速度快，工序较简单，造价相对较低，且能够很好地控制隧道施工过程中围岩变形。因此，综合分析以上因素，选择环形开挖预留核心土法进行施工[14]。

3 施工监控量测

金林隧道下穿村落段采用环形开挖预留核心土施工方法，并对地表民房建筑布点进行动态量测，以确保房屋安全，同时指导施工。地表沉降监测横向测点布置间距为5 m，如图10所示，沿纵断面每隔5 m布设测点，以了解地表沉降的横向影响范围。各个断面布置地表沉降观测点进行初始观测并做好原始记录，开挖过程中洞内按每5 m一个断面布置拱顶下沉点和周边收敛点，洞内拱顶沉降和周边收敛位移测点布置如图11所示。

图10 YK66+775断面处地表沉降测点布置

单位：m

K66+785断面处地表沉降最大测点为测点4，其值为13.42 mm，位移曲线如图12所示。K66+785断面处拱顶下沉最大值为11.98 mm，周边收敛最大值为3.96 mm，位移曲线如图13所示。

从图12、图13监测结果可以看出，地表沉降累积位移量，洞内拱顶下沉、周边收敛，在可控范围内，地表沉降与拱顶下沉位移量基本一致，房屋分布范围内的隧道围岩在施工35 d后趋于稳定。K66+775同一断面现场监测和数值模拟结果对比如表4所示。

图12 YK66+775断面测点4地表沉降位移曲线

图13 YK66+775断面处洞内拱顶下沉及周边收敛位移曲线

表4 K66+785现场监测与数值模拟对比

4 施工控制措施

1) 隧道进洞前，做好洞口周边地表水截排设施，并详细调查周围的水文地质情况，做好地表引水、排水工程的施工，减少水害的影响，边仰坡必须开挖一级防护一级[15]。

2) 施工过程中贯彻“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的施工原则，缩短掘进过程中各工序间步距，及时支护，保证支护结构具有足够的刚度和稳定性。

3) 在建筑物正下方的隧道开挖施工中，为了减小对上部建筑物的扰动，采用机械开挖，人工辅助修边。对于中风化花岗岩机械开挖难以进行时，采用辅助弱爆破技术，但需严格控制炸药量及爆破振动速度，爆破振动速度宜控制在10 cm/s以下，减少震动幅度和频率以保护隧道上部村落建筑物，减小其地基的不均匀沉降，防止新增裂缝及就裂缝的扩展。同时，左右线洞内掌子面要错开2倍洞径以上的距离。

4) 加强监控量测及信息反馈，以量测数据来判断围岩安全稳定状况，修正初期支护参数。缩短二次衬砌的循环长度，衬砌尽量紧跟开挖，以保证衬砌及时快速。

5) 超前支护的双层小导管改变为单层小导管，间距由原来的1.2 m缩短至0.6 m，与钢架间距相符。主因是双层小导管实际施工中角度难以控制，易造成2根小导管夹角偏小，不利于前方拱顶围岩的稳定，且双层小导管的2次施打，易造成前方拱顶围岩多次扰动，不利于稳定，另外2次钻孔，易造成孔洞串通，不利于注浆。

5 结束语

1) 依托金林隧道，在考虑工程地质条件、隧道埋深、开挖跨度等条件下，通过建立不同隧道开挖工法数值模型，分析拱顶下沉、周边收敛和地表沉降位移等数据，结合现场实际地质情况，从安全施工角度，选择了环形开挖预留核心土的工法，避免了洞顶房屋迁改的困难，缩短了工期，确保了地表建筑物安全和隧道结构安全。

2) 通过数值模拟和施工监控量测对比分析可知，采用环形开挖预留核心土工法，洞内外的沉降值均在变形控制指标范围内，表明该方法可行，可供同类隧道施工参考。

3) 金林隧道于2017年10月进场施工，2019年7月顺利贯通，各项质量检测指标均满足规范要求，已于2021年6月顺利通车。按照比选后的施工方法，解决了地方村落与高速公路隧道选线相冲突的问题，避免了地方村落房屋需拆迁安置后方可进行隧道开挖施工的各衔接工序耗时，缩短了整体工期，为隧道顺利贯通提供了保障，为后续各施工点拉通提供了便利条件，确保了整体云茂高速公路建设进度，取得了理想的经济和社会效果，为后续安全下穿村落提供了保证。